OEM과 설계 엔지니어가 모터, 드라이브, 컨트롤러에 대해 알아야 할 사항

설계자가 모션 중심 기계를 개선하든, 새로운 기계를 제작하든, 모션 제어를 염두에 두고 시작하는 것이 중요합니다. 그러면 효과적이고 효율적인 자동화를 구현하는 최적의 방법을 중심으로 설계를 개발할 수 있습니다.

모션 기반 기계는 핵심 기능을 중심으로 설계 및 제작되어야 합니다. 예를 들어, 특정 권취 용도에 의존하는 인쇄기의 경우, 설계자는 핵심 부품에 집중하고 나머지 부분은 핵심 기능을 지원하도록 개발해야 합니다.

설계 공학 101처럼 들리지만, 출시 기간 단축의 압박과 전통적으로 기계, 전기, 소프트웨어 부서로 나뉘어 있는 팀 구조 때문에 설계가 대체로 선형적인 프로세스로 회귀하기 쉽습니다. 그러나 모션 제어를 염두에 두고 설계하려면 초기 개념 개발, 시스템 토폴로지 및 기계 접근 방식 결정, 연결 인터페이스 및 소프트웨어 아키텍처 선택 등 메카트로닉스 접근 방식이 필요합니다.

엔지니어가 모든 기계 설계 프로젝트 초기부터 고려해야 할 모터, 드라이브, 컨트롤러, 소프트웨어의 필수적인 측면은 다음과 같습니다. 이를 통해 OEM이 고객 문제를 더 짧은 시간 내에 해결할 수 있는 동시에 비효율성, 오류, 비용을 줄일 수 있습니다.

【디자인 과정】

엔지니어들은 일반적으로 부품의 이동 방식과 위치를 파악하는 데 가장 많은 노력을 기울이는데, 특히 혁신적인 기계를 개발할 때 더욱 그렇습니다. 혁신적인 빌드는 단연코 가장 많은 시간이 소요되지만, 특히 팀이 최신 가상 엔지니어링 및 모듈형 설계를 활용할 경우 가장 큰 ROI를 제공하는 경우가 많습니다.

기계를 처음부터 개발할 때 첫 번째 단계는 다음과 같은 질문을 던지는 것입니다. 이 기계의 핵심 기능은 무엇일까요? 청소가 쉽고, 유지 보수가 적으며, 정확도가 높은 기계를 만드는 것이 그 예가 될 수 있습니다. 필요한 기능, 성능 또는 유지 보수 수준을 제공할 기술을 파악하세요.

해결해야 할 문제가 복잡할수록 가장 중요한 기능을 파악하기가 더 어려워집니다. 중요한 세부 사항을 정의하고 적절한 접근 방식을 결정하는 데 도움을 줄 수 있는 모션 중심 자동화 공급업체와 협력하는 것을 고려해 보세요.

그런 다음 질문해 보세요. 기계의 표준 기능은 무엇입니까? 이전 인쇄기 예시를 계속 살펴보면, 인쇄되는 소재를 푸는 데 사용되는 장력 및 센서 제어는 상당히 표준적입니다. 실제로 새 기계 작업의 약 80%는 이전 기계 작업의 변형입니다.

모듈식 하드웨어와 코드 프로그래밍을 사용하여 표준 기능에 대한 엔지니어링 요구 사항을 처리하면 프로젝트 완료에 필요한 설계 리소스가 크게 줄어듭니다. 또한, 검증된 기능을 사용하여 신뢰성을 높이고 설계의 더 복잡한 부분에 집중할 수 있습니다.

모듈식 하드웨어와 소프트웨어로 표준 기능을 제공할 수 있는 모션 제어 파트너와 협력하면 경쟁사와 차별화되는 부가가치 기능에 집중할 수 있습니다.

일반적인 설계 프로젝트에서는 기계 엔지니어가 기계의 구조와 기계 부품을 제작하고, 전기 엔지니어가 드라이브, 배선, 제어 장치 등 전자 장치를 추가하며, 소프트웨어 엔지니어가 코드를 작성합니다. 실수나 문제가 발생할 때마다 프로젝트 팀은 이를 되짚어 수정해야 합니다. 설계 과정에서 변경이나 실수를 기반으로 설계를 다시 하는 데 많은 시간과 에너지가 소모됩니다. 다행히 CAD 소프트웨어를 이용한 기계 설계와 분산된 계획 및 설계는 거의 과거의 유물이 되었습니다.

오늘날 가상 엔지니어링을 통해 팀은 여러 병렬 경로를 사용하여 기계의 작동 방식을 설계할 수 있으며, 이를 통해 개발 주기와 출시 기간을 획기적으로 단축할 수 있습니다. 디지털 트윈(기계의 가상 표현)을 생성함으로써 각 부서는 자체적으로 작업하면서 다른 팀원들과 동시에 부품과 제어 장치를 개발할 수 있습니다.

디지털 트윈을 통해 엔지니어는 기계의 다양한 설계와 기계 기술을 신속하게 테스트할 수 있습니다. 예를 들어, 원하는 양의 재료가 수집될 때까지 기계 공급 장치에 재료를 공급한 후 절단해야 하는 공정이 있다고 가정해 보겠습니다. 즉, 재료 절단이 필요할 때마다 공급을 중단하는 방법을 찾아야 합니다. 이러한 과제를 해결하는 방법은 여러 가지가 있으며, 모든 방법은 전체 기계 작동 방식에 영향을 미칠 수 있습니다. 디지털 트윈을 사용하면 다양한 해결책을 시도하거나 구성 요소를 재배치하여 운영에 미치는 영향을 확인하는 것이 간단하며, 이를 통해 더 효율적인 (그리고 더 적은) 프로토타입 제작이 가능합니다.

가상 엔지니어링을 통해 설계 팀 전체가 전체 기계와 겹치는 개념이 어떻게 함께 작동하여 특정 목표를 달성하는지 확인할 수 있습니다.

【토폴로지 선택】

여러 기능, 여러 개의 동작 축, 다차원 이동, 그리고 빠른 출력 및 처리량을 갖춘 복잡한 설계는 시스템 토폴로지를 더욱 복잡하게 만듭니다. 중앙 집중식 컨트롤러 기반 자동화와 분산식 드라이브 기반 자동화 중 어떤 것을 선택할지는 설계 중인 기계에 따라 달라집니다. 기계의 전반적인 기능과 로컬 기능 모두에 따라 중앙 집중식 또는 분산형 토폴로지 선택 여부가 결정됩니다. 캐비닛 공간, 기계 크기, 주변 환경, 심지어 설치 시간까지도 이러한 결정에 영향을 미칩니다.

중앙 집중식 자동화. 복잡한 기계의 조율된 모션 제어를 구현하는 가장 좋은 방법은 컨트롤러 기반 자동화입니다. 모션 제어 명령은 일반적으로 EtherCAT과 같은 표준화된 실시간 버스를 통해 특정 서보 인버터로 전달되며, 인버터는 모든 모터를 구동합니다.

컨트롤러 기반 자동화를 사용하면 여러 모션 축을 조정하여 복잡한 작업을 수행할 수 있습니다. 모션이 기계의 핵심이며 모든 부품이 동기화되어야 하는 경우 이상적인 토폴로지입니다. 예를 들어, 로봇 팔의 적절한 위치를 결정하기 위해 각 모션 축이 특정 위치에 있어야 하는 경우 컨트롤러 기반 자동화를 선택할 가능성이 높습니다.

분산 자동화. 더욱 소형화된 기계와 기계 모듈을 통해 분산 모션 제어는 기계 제어의 부하를 줄이거나 없앨 수 있습니다. 대신, 소형 인버터 드라이브가 분산 제어를 담당하고, I/O 시스템이 제어 신호를 평가하며, EtherCAT과 같은 통신 버스가 엔드 투 엔드 네트워크를 형성합니다.

분산 자동화는 기계의 한 부분이 작업 완료를 담당하고 중앙 제어 시스템에 지속적으로 보고할 필요가 없을 때 이상적입니다. 기계의 각 부분은 빠르고 독립적으로 작동하며, 작업 완료 후에만 보고합니다. 이러한 구성에서는 각 장치가 자체적인 부하를 처리하기 때문에 전체 기계가 더욱 분산된 처리 능력을 활용할 수 있습니다.

중앙 집중식 및 분산식 제어. 중앙 집중식 자동화는 조정 기능을 제공하고 분산식 자동화는 더욱 효율적인 분산 처리 능력을 제공하지만, 두 가지를 결합하는 것이 때로는 최선의 선택일 수 있습니다. 최종 결정은 비용/가치, 처리량, 효율성, 시간 경과에 따른 신뢰성, 안전 사양과 관련된 목표를 포함한 포괄적인 요구 사항에 따라 달라집니다.

프로젝트가 복잡할수록 다양한 측면에 대한 조언을 제공할 수 있는 모션 제어 엔지니어링 파트너를 확보하는 것이 더욱 중요합니다. 기계 제조업체가 비전을 제시하고 자동화 파트너가 도구를 제공할 때, 비로소 최상의 솔루션을 얻을 수 있습니다.

【머신 네트워킹】

깔끔하고 미래 지향적인 상호 연결성을 구축하는 것 또한 모션 제어를 염두에 둔 설계의 핵심 단계입니다. 통신 프로토콜은 모터와 드라이브의 위치만큼이나 중요합니다. 단순히 구성 요소의 기능뿐만 아니라 모든 구성 요소를 어떻게 연결하는지도 중요하기 때문입니다.

좋은 설계는 전선 수와 연결 거리를 줄여줍니다. 예를 들어, 원격 터미널로 연결되는 10~15개의 전선을 EtherCAT과 같은 산업용 통신 프로토콜을 사용하는 이더넷 케이블로 교체할 수 있습니다. 이더넷이 유일한 선택지는 아니지만, 어떤 것을 사용하든 공통 프로토콜을 사용할 수 있도록 적절한 통신 도구나 버스를 확보해야 합니다. 적절한 통신 버스를 선택하고 모든 구성 요소를 어떻게 배치할지 미리 계획해 두면 향후 확장이 훨씬 수월해집니다.

처음부터 캐비닛 내부를 잘 설계하는 데 집중하세요. 예를 들어, 자기 간섭의 영향을 받을 수 있는 전자 부품 근처에 전원 공급 장치를 두지 마세요. 고전류나 고주파 부품은 전선에 전기적 노이즈를 발생시킬 수 있습니다. 따라서 최적의 작동을 위해 고전압 부품과 저전압 부품을 멀리 두세요. 또한, 네트워크가 안전 등급을 받았는지 확인하세요. 그렇지 않은 경우, 부품 중 하나에 장애가 발생하더라도 자체적으로 감지하여 대응할 수 있도록 이중 안전 연결부를 하드와이어 방식으로 연결해야 할 가능성이 높습니다.

산업용 사물 인터넷(IIoT)이 확산됨에 따라, 귀사 또는 귀사의 고객이 아직 사용할 준비가 되지 않은 고급 기능을 추가하는 것을 고려해 보세요. 이러한 기능을 기계에 내장하면 나중에 해당 기계를 더 쉽게 업그레이드할 수 있습니다.

【소프트웨어】

업계 추정에 따르면, OEM 업체들은 머지않아 기계 개발 시간의 50~60%를 소프트웨어 요구 사항에 집중해야 할 것으로 예상됩니다. 기계 장치 중심에서 인터페이스 중심으로의 변화는 소규모 기계 제조업체들에게는 경쟁에서 불리하게 작용하지만, 모듈식 소프트웨어와 표준화된 개방형 프로토콜을 도입하려는 기업들에게는 공정한 경쟁 환경을 제공할 수 있습니다.

소프트웨어가 어떻게 구성되는지에 따라 기계가 현재와 미래에 할 수 있는 일이 확장되거나 제한될 수 있습니다. 모듈형 하드웨어와 마찬가지로 모듈형 소프트웨어는 기계 제작의 속도와 효율성을 향상시킵니다.

예를 들어, 기계를 설계하면서 두 단계 사이에 단계를 하나 더 추가하고 싶다고 가정해 보겠습니다. 모듈형 소프트웨어를 사용한다면 재프로그래밍이나 재코딩 없이 구성 요소를 간단히 추가할 수 있습니다. 또한, 여섯 개의 섹션이 모두 같은 작업을 수행한다면 코드를 한 번만 작성하여 여섯 개의 섹션 모두에서 사용할 수 있습니다.

모듈식 소프트웨어를 사용하면 설계 효율성이 향상될 뿐만 아니라, 엔지니어가 고객이 원하는 유연성을 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 고객이 다양한 크기의 제품을 생산하는 기계를 원하고, 가장 큰 크기의 기계는 한 부분의 기능 변경을 필요로 한다고 가정해 보겠습니다. 모듈식 소프트웨어를 사용하면 설계자는 기계의 다른 기능에 영향을 주지 않고 해당 부분만 간단히 변경할 수 있습니다. 이러한 변경은 OEM 또는 고객이 기계 기능을 빠르게 전환할 수 있도록 자동화될 수 있습니다. 모듈이 이미 기계에 내장되어 있으므로 다시 프로그래밍할 필요가 없습니다.

기계 제조업체는 각 고객의 고유한 요구 사항을 충족하는 옵션 기능이 포함된 표준 기본 기계를 제공할 수 있습니다. 기계, 전기 및 소프트웨어 모듈 포트폴리오를 개발하면 구성 가능한 기계를 더 쉽고 빠르게 조립할 수 있습니다.

하지만 모듈형 소프트웨어의 효율성을 극대화하려면, 특히 여러 공급업체와 협력하는 경우 업계 표준을 준수하는 것이 필수적입니다. 드라이브와 센서 공급업체가 업계 표준을 따르지 않으면 해당 부품들이 서로 통신할 수 없게 되고, 부품 연결 방법을 파악하는 과정에서 모듈화의 모든 효율성이 사라집니다.

또한, 고객이 데이터 스트림을 클라우드 네트워크에 연결할 계획이라면 모든 소프트웨어가 업계 표준 프로토콜을 사용하여 만들어지는 것이 필수적입니다. 그래야 해당 장비가 다른 장비와 작동하고 클라우드 서비스와 인터페이스할 수 있습니다.

OPC UA와 MQTT는 가장 일반적인 표준 소프트웨어 아키텍처입니다. OPC UA는 기계, 컨트롤러, 클라우드 및 기타 IT 장치 간의 실시간 통신을 지원하며, 아마도 가장 완벽한 통신 인프라에 가깝습니다. MQTT는 두 애플리케이션이 서로 통신할 수 있도록 하는 더욱 가벼운 IIoT 메시징 프로토콜입니다. MQTT는 단일 제품에서 사용되는 경우가 많으며, 예를 들어 센서나 드라이브가 제품에서 정보를 가져와 클라우드로 전송할 수 있도록 합니다.

【클라우드 연결】

상호 연결된 폐쇄형 루프 기계가 여전히 주류를 이루고 있지만, 클라우드에 완벽하게 네트워크화된 공장의 인기가 높아지고 있습니다. 이러한 추세는 예측 유지보수 및 데이터 기반 생산의 수준을 높일 수 있으며, 이는 공장 소프트웨어의 다음 주요 변화입니다. 이는 원격 연결에서 시작됩니다.

클라우드 네트워크 공장은 다양한 공정, 생산 라인 등의 데이터를 분석하여 생산 공정을 더욱 완벽하게 표현합니다. 이를 통해 다양한 생산 시설의 종합 설비 효율(OEE)을 비교할 수 있습니다. 최첨단 OEM은 신뢰할 수 있는 자동화 파트너와 협력하여 최종 사용자에게 필요한 데이터를 전송할 수 있는 모듈식 Industry 4.0 기능을 갖춘 클라우드 지원 장비를 제공합니다.

기계 제조업체의 경우, 모션 제어 자동화를 활용하고 전체 프로세스에 걸친 전체적 접근 방식을 통해 고객의 공장이나 회사의 효율성을 높이는 것이 확실히 더 많은 사업을 확보하는 데 도움이 될 것입니다.